冶金軋制設備技術數字化智能化發展分析

張 俊，付振剛

（廣西柳鋼中金不銹鋼有限公司 廣西 玉林 537000）

0 引言

現代工業的不斷發展，鋼鐵行業的發展在經濟發展中占據重要特殊地位。其科技技術水平的高低直接影響工業化的整體發展水平。因此，在鋼鐵冶金行業中，應將智能化、數字化的制造技術深入融合到日常的生產中，只有技術水平不斷提高，才能為產業發展與轉型帶來新的契機。與此同時，冶金應用設備的專業化、智能化有助于確保其生產的安全與穩定，提高產品的生產質量，在提高冶金設備技術水平的基礎上，為整體行業的智能化水平奠定良好的基礎。

1 板形自動控制系統與檢測技術

軋制自動化的廣泛應用，板形自動化控制系統的重要地位日益凸顯。其主要功能在于通過調整、優化機架的板形以及板凸度，在軋制條件和各機架前后帶鋼平直度間形成一定的數學關系。不斷調整液壓彎輥以及軋輥軸移，提高產品的質量與水平。板帶軋機的控制系統主要由過程自動化級以及基礎自動化級實現控制作用。其中，過程自動化級主要通過在生產管理級獲得鋼卷的生產信息，同時實現鋼卷預定設計，將設計運算的結果有效的傳送給基礎自動化級進行優化與控制工作。基礎自動級在軋制未穩定前的反饋控制無法投入使用的情況下，由過程控制級的設定值實現控制作用。當軋制過程穩定時，及時引入反饋控制，將其設定值當作初始值。反饋控制能夠依據軋制的過程進行不斷的調整偏差。一般情況下板形的設定控制作為整體過程控制的重要環節，利用數學模型將其設定為計算的子模型。既能對系統平臺實現操作，又能夠實現數據的資源共享[1]。

現階段的板帶材的檢測技術在傳統的無損檢測技術的基礎上，實現了機器視覺檢測。其原理主要是通過圖像傳感器的方式進行檢測與測量工作，主要由采集攝像機、照明部件等工具組成。計算機技術的發展使得以圖像傳感器為檢測手段的視覺檢測技術應用廣泛。其優勢主要在于節省時間，檢測范圍較廣、效率高以及檢測誤差小等優勢，在任何復雜的環境中都能夠很好地應對，并能夠實現連續的檢測任務。其中，激光掃描檢測技術是利用光源向受測材料進行激光束的發射，借助采集到的模塊對材料產生的信號進行測量后進行合理的計算與處理。該檢測技術的主要優勢在于檢測的靈敏度較高且實用性較強，但由于容易受到外界影響造成維護較為困難。除此之外，板形控制儀結構較為簡單、維護方面以及成本造價低廉等優勢，其傳感器是非傳動件，因此安裝較為簡單方便。同時，傳感器與帶鋼表面能夠實現非接觸式，因而對帶鋼表面不易發生劃傷等情況，熱帶鋼通常選用的是板形控制儀進行板形的測量工作。但該板形控制儀由于檢測信號并非是直接傳輸信號，因此，對信號處理的技術要求相對較高。

2 板帶軋制過程穩健運行控制技術與設備管理維護

為有效對軋機進行監控與管理，可以采用對軋機的電機以及傳動部件進行動態特征檢測的方式。實際上，軋機狀態的監控與軋制工藝在現階段的結合無法達到工藝施工標準，融合效果較低。智能傳感技術、信息處理器在發展與應用過程中逐漸將機械智能化深入到工業生產中。相關工藝、零部件運行以及板帶的質量都能以數據參數的方式進行展現。工業生產中的數據參數較為復雜、多變，因而在處理上難度較大，若只依據數據信息技術無法對軋制系統進行有效的判斷，所以大數據在進行技術應用中應以變量機理的關系為重點。基于此，明確板帶質量、軋機運行兩者存在密不可分的關系。兩者的特性能夠運用在線數據的方式更好地體現出來，分析軋制過程中的多元異構特征，進一步挖掘數據控制技術的應用效果，不斷調控板帶的質量、設備的維護與運行，是提高板帶生產智能化的基礎。智能控制技術能夠實現軋機系統狀態的在線監控，為實現數據與實踐的分析與研究，軋機穩健運行機理數據驅動控制技術應運而生。該技術的設計與數據處理方案中包含對生產中軋機工作的狀態、相關工藝數據以及生產的產品質量進行了實時的數據采集工作。在完成采集后對軋制的運行狀態進行合理的評估，利用現代化的控制技術為軋制過程的穩定提供技術支持，確保其優化控制相對穩定。通過采用相關的設備動力學作為相關的理論數據基礎的方式，加之傳感器測試技術的應用，能夠有效地解決參數變化的難題，并依據原始的數據參數對軋制工藝參數制定相關的控制措施。與此同時，提高對板帶質量與穩定的重視程度，確保系統在設計的初期以及策略的控制方面都與板帶的生產質量相符。有效融合機理研究與數據技術，從而形成智能化的軋機運行制度，組織搭建相關的在線控制技術平臺，利用相關優勢，實現鋼鐵生產技術的優化與升級[2]。

關于軋制設備的管理與維護，首先應制定完整的設備點檢工作制度。依據軋制設備的現狀，明確點檢任務后具體落實到個人。在日產的裝配或進行維修的前期，需要對設備表面的雜物進行有效的清除，做好設備的維修與檢修工作，明確不同的故障診斷技術方式，及時發現軋制設備的故障，并進行及時處理，防止設備出現無法運轉的情況。重視軋制設備的潤滑管理，對設備的維護來說，需依據軋制設備的使用指定相應的維修方案。如果冷凝器的冷水進入量不夠充足的情況下，油溫易產生升高的問題，從而致使軋機的油膜軸承部位因油膜厚度降低，出現磨損問題。因此，需要選擇彈性較為良好的流動體動壓進行潤滑的方式，提高潤滑的效果。與此同時，應做好設備故障的周報、月報制度，提高軋制設備管理人員的自覺意識。建立相應的崗位責任機制，加強管理與維修人員的溝通與交流，對軋制設備實現全方位、多角度的檢修與維護工作。為保證軋制設備能夠平穩運行，需要根據軋制設備的性能等信息，明確具體責任人，做好設備的跟蹤調查工作。除此之外，應落實設備的大中修計劃，對設備進行定期的技術改造以及檢修，為保證設備能夠平穩高效的運營，設備管理人員應不斷積累實踐經驗，延長設備的使用壽命。

3 機理數據雙驅產品質量診斷理論技術

3.1 板帶軋機在線監控和決策數據平臺

由于板帶生產過程的復雜性，造成在此過程中仍無法全面掌握相關數據參數、感知相關設備信息，對非對稱條件下的軋機動態與關鍵位置的故障形成了一定的阻礙作用。在運行中容易發生關鍵信息的丟失，進而造成生產管理的松散、混亂，進一步導致產品質量的降低、設備運行穩定性下降等問題。板帶軋機在線監控和決策數據平臺的應用，能夠實現在線測試、數據分析與挖掘、軋機設備狀態監控、數據調取等不同功能。在線測試能夠對數據采集的環境以及存儲位置進行合理的布置，數據分析與挖掘能夠有效處理相關的工藝參數、衡量板帶的綜合質量，并對產生的數據進行合理化的處理。

3.2 機理數據雙驅板帶產品質量綜合管控與工藝參數深度優化

現階段的板帶質量檢測多使用的是利用經驗控制的方法，獲得相關的檢測數據。因而弊端較為明顯，對板帶進行產品質量的診斷時，主觀因素的影響、缺乏合理的反饋調節造成整個流程的滯后，由于后期工序流程受到不利影響，進而導致問題不斷延續與延伸，影響數據信息的獲得，產品質量隨之下降。一方面，由于工況、工作流程較為復雜，因而質量缺陷在任意環節都極易發生，且種類各不相同。若要解決上述產品質量診斷問題，采用科學的數據驅動技術制定合理的診斷方案，明確工序、工藝以及產品質量的密切關系，結合相關數據模型的參數意義，對質量的診斷進行深入挖掘。另一方面，做好軋制全過程的產品質量診斷，掌握質量缺陷與質量工藝兩者之間的內在關系，深入融合數據技術為提高產品質量水平提供支持與保證。對智能化應用于工業發展的難題與限制條件進行妥善處理，進一步推動行業技術發展，提高整體行業經濟效益。優化工藝的數據參數，利用多組工藝參數的數據和相關的誤差數據，建立相關模型，利用遺傳算法獲得最佳數據信息。上述方案在解決復雜計算方式的基礎上，進一步提高優化結果的精確程度，有助于實現板帶質量的綜合管理和控制，從而為工藝相關參數提供理論的支撐[3]。

4 構件疲勞損傷失效理論

4.1 新型應力場強理論

4.1.1 單軸高周疲勞

在疲勞強度和平均正應力的關系中，主要有描述疲勞強度與平均正應力關系的著名經驗方法通常有GOODMAN線性關系以及GERBER橢圓關系等，上述方法均含有一定的經驗性。在具體工程施工中采用大量數據試驗的方式，既耗時耗力，又無相應的理論支撐。對于單軸高周疲勞應力來說，其荷載的主要路徑有載單軸拉伸、純扭轉等。

4.1.2 多軸高周疲勞

在疲勞損傷的過程中有相應的能量耗散，該耗散主要有塑性應變能耗散以及其他非彈性應變能耗散兩種形式。一般情況下，對已存在的能量耗散，均通過材料進行循環穩定的方式進行應力應變當作能量耗散的標準，再通過和材料的疲勞壽命建立起相關的非線性關系。借助單次的循環彈塑性應變能的密度能夠有效獲得相關參數。也就是說，應變能法具有一定的物理含義，盡管在損傷參數數據中無法得出較為合理的物理理論解釋說明，但仍存在材料塑性的硬化是由一些塑性耗散能所貢獻出來的。故此，通過材料循環的穩定狀態應力形成的相關耗散能量，并非全部為有效的損耗能。一般來說，損傷耗能會與疲勞損傷形成相互映射的指標。依據相關損傷力學和不可逆的熱力學框架，成功運用多軸高周疲勞強度進行合理、科學的預測[4]。

4.2 軋機接觸沖擊損傷失效動態分析

4.2.1 提高金屬沖擊力動態分析

作為結構失效形式，沖擊破壞具有重要意義。其擁有較為明顯的規律特征，例如，當應力應變響應在狀態逐漸復雜的條件下、缺口敏感度不斷加大以及超出其荷載能力的情況下極易發生脆性的斷裂。現階段，構件在反復的沖擊下荷載易失效的行為暫時還未建立起有效、完善的基礎理論體系，在板帶材料中，軋輥具有重要意義，其作為核心構件，沖擊失效行為和構件壽命的合理預估有助于提高軋輥的使用壽命、提高產品質量以及市場競爭能力。因而，通過深入研究與探索金屬結構中有裂紋出現時，當遇到沖擊效應的動態行為與失效間的關系，有助于獲得沖擊荷載中的失效機理行為，進一步得到不同條件、不同環境中材料沖擊失效后所產生的相關規律，形成金屬構件裂紋在反復沖擊作用中的動態行為與失效理論。一般來說，裂紋在沖擊荷載下的行為是不斷擴張的，直到最后發生斷裂。通過建立相關的裂紋沖擊模型的方式，綜合考量其慣性，對金屬裂紋產生的動態變化進行詳細的求解，形成裂紋在沖擊荷載下的動態擴張體系，建立健全沖擊復合裂紋失效的制度機制，以不同的角度、不同的方式進行疲勞裂紋規律的試驗與演化，深入探討裂紋動態響應與結構失效間的關系與轉化，為在實踐中解決沖擊裂紋響應的相關機制、實現高強度的可靠設計提供理論依據[5]。

4.2.2 疲勞損傷演化跨尺度分析

在材料的內部以及表面多存在一定的縫隙或裂紋，裂紋在外力等客觀因素的作用下不斷進行擴張，從而降低了材料與結構力學性能。斷裂力學在宏觀裂紋出現前無法對其進行有效的判斷或分析，也無法對其力學性能作出有效的判斷。相較于宏觀的裂紋，細微的缺陷無法及時發現并解決，進而引出了相關疲勞損傷理論，通過建立相關計算方式對產品構件的損傷程度進行精準地計算。利用材料的跨尺度分析方式，有助于對構件壽命進行合理、科學的預測。使用相關張量模型的損傷變量得出由于細微結構無法持續變化進而造成結構力學性能的降低。與此同時，細微缺陷的存在，以及取向和分布均與受載力方向有關，因此，材料在損傷程度上是各不相同的。利用疲勞損傷演化的相關模型，能夠有效獲得相關的疲勞損傷演變計算過程。而微觀力學的應用則能夠以微觀的細節尺度進行材料的推導與研究，其力學模型同樣能夠實現方程的構建。局部的材料在進行細觀組織中容易發生微塑性的變形，而該種變形通常情況下不可逆。當循環應力的最大數值小于最小極限值時，材料容易產生疲勞損壞的現象。反復的疲勞極易造成微塑性的傷害。當宏觀的連續介質力學在細觀的層面開始分布離散缺陷材料力學行為時，可以有效通過跨尺度的理論進行分析的方式，建立相關的金屬疲勞損傷評估機制，見圖1。

5 軋制生產污染自動化檢測技術

軋制行業過去一直使用傳統的手動監控，由于人為和經濟原因，不可能對任何類型的污染源進行長期和系統的監測。因此，監測結果往往與污染源的實際情況大相徑庭，治理領域的決策已導致相當大的困難。隨著自動化技術的進步，各種材料可進行自動化檢測，促進了軋制生產環保的發展。例如，當按照傳統的監測和管理方法監測污染源時，每個污染源都需要幾個人和不同類型的監測儀器來采集樣本、進行實驗室分析和統計計算，這是一項非常困難的任務。現有的污染源環境保護自動監測系統集成了污染源在線監測，能夠自動實時采集、存儲和傳輸在線監測儀器的數據信息，同時分析和處理各種在線監測數據，并對環境進行統計分析。這大大減少了管理人員的日常工作量和強度，避免了未知或不規則流程等人為因素造成的數據偏差和錯誤，使監控數據更加準確可靠，并對主要污染源進行相關預警，使環保工作者能夠及時采取相應措施，顯著提高軋制行業環保效果。

6 結語

綜上所述，隨著經濟科學技術水平的提高，智能化、自動化制造成為現代工業發展的主流趨勢，因此，應重視相關技術的應用，滿足市場的相關需求，提高軋制生產的穩定與高效，進一步提高產品生產的效率與質量水平。通過采取不同的技術手段，減少生產過程中的事故發生概率，降低經濟損失，推動行業的健康、穩定發展。